半导体纳米复合材料的制备及其光电催化CO2还原

本实验通过模拟植物光合作用,设计制备了新颖的光电联合催化池3D-ZnO/Ni BiVO4/FTO,用电化学沉积法制备了泡沫镍负载的ZnO纳米棒光电阴极和BiVO4光电阳极,以0.1 mol·L^−1 KHCO3水溶液作为电解质,1 mmol·L^−1曙红Y为光敏剂,在−0.6 V硅太阳电池的电压下光电催化还原CO2得到了乙醇、乙酸和甲醇,总产率22.5μmol·L^−1·h^−1·cm^−2。实现了将太阳能贮存为化学能并减少了空气中的CO2,加深了学生对绿色化学和植物Calvin循环机理的理解。     

石墨烯基复合材料应用于光电二氧化碳还原的基本原理，研究进展和发展前景

In response to aggravated fossil resources consuming and greenhouse effect, CO₂ reduction has become a globally important scientific issue because this method can be used to produce value-added feedstock for application in alternative energy supply. Photoelectrocatalysis, achieved by combining optical energy and external electrical bias, is a feasible and promising system for CO₂ reduction. In particular, applying graphene in tuning photoelectrochemical CO₂ reduction has aroused considerable attention because graphene is advantageous for enhancing CO₂ adsorption, facilitating electrons transfer, and thus optimizing the performance of graphene-based composite electrodes. In this review, we elaborate the fundamental principle, basic preparation methods, and recent progress in developing a variety of graphene-based composite electrodes for photoelectrochemical reduction of CO₂ into solar fuels and chemicals. We also present a perspective on the opportunities and challenges for future research in this booming area and highlight the potential evolution strategies for advancing the research on photoelectrochemical CO₂ reduction.     

BiPO4/石墨烯光电极的制备及其光电催化性能（英文）

光电催化(PEC)氧化法是一种使用半导体电极材料在光和电的共同作用下处理水中有机污染的有效方法.在PEC工艺中,施加偏压不仅可以利用电催化对有机污染物进行降解,而且在偏压作用下,光生电子-空穴对能够得到有效的分离和传输,从而大大提高了机物污染物的去除速率.尽管PEC技术已经取得了许多重要的突破,但是能量转换效率仍然无法满足实际应用.因此,开发具有优异性能,良好稳定性和低成本的光电极材料是一项具有挑战性的研究工作.本文采用两步电沉积法制备了BiPO4纳米棒/还原氧化石墨烯/FTO复合光电极(BiPO4/r GO/FTO).电镜结果表明,电沉积制得的纳米棒状磷酸铋均匀负载在石墨烯纳米片层表面.采用甲基橙为模型体系,考察了复合光电极的光电催化活性.BiPO4/r GO/FTO复合电极的光电催化降解速率是BiPO4/FTO光电极的2.8倍,显示出优良的光电催化活性.实验进一步研究了工作电压和BiPO4沉积时间对甲基橙光电降解性能的影响.最佳的BiPO4沉积时间为45 min,最佳工作电压为1.2 V.捕获实验和ESR实验表明羟基自由基(·OH)和超氧化物自由基(·O2-)是该电极的主要活性物种.BiPO4/r GO/FTO复合电极经过四次循环实验后其降解甲基橙效率保持不变,显示出高稳定性,采用光电流,交流阻抗及其荧光测试对其光催化机理进行推测.结果表明该复合光电极具有高PEC活性的主要原因是:石墨烯的引入加快了BiPO4的电子空穴的分离,拓宽了石墨烯的可见光吸收范围;同时,石墨烯诱导产生的BiPO4混合相也进一步促进了光生电子空穴的分离,提高了光电降解活性.     

光电催化二氧化碳还原研究进展

CO_2是最常见的化合物,作为潜在的碳一资源,可用于制备多种高附加值的化学品,如一氧化碳、甲烷、甲醇、甲酸等。传统的热催化转化CO_2方法能耗高,反应条件苛刻。因此,如何在温和条件下高效地将CO_2转化成高附加值的化学品,一直以来是催化领域的研究热点和难点之一。光催化技术反应条件温和、绿色环保。然而,纯光催化反应普遍存在太阳能利用效率有限,光生载流子分离效率低等问题。针对上述问题,在光催化的基础上引入电催化,可以提高载流子的分离效率,在较低的过电位下,实现多电子、质子向CO_2转移,从而提高催化反应效率。总之,光电催化技术可以结合光催化和电催化的优势,提高CO_2催化还原反应效率,为清洁、绿色利用CO_2提供了一种新方法。本文依据光电催化CO_2还原反应基本过程,从光吸收、载流子分离和界面反应等三个角度综述了光电催化反应的基本强化策略,并对未来可能的研究方向进行了展望。     

TiO_2纳米阵列光阳极光电催化水分解研究进展

光电催化水分解制氢是目前解决能源危机与环境污染最理想的技术之一.设计和构筑高效的光阳极是实现光电催化技术实际应用的关键.在众多半导体光阳极材料中,TiO_2纳米阵列由于其快的电荷传输速率,高的光热稳定性,无毒和成本低等优点,已经被广泛用于光电催化水分解反应的研究.但是TiO_2本征的光吸收范围窄、光生电荷复合率高、表面水氧化动力学缓慢严重地制约了其太阳能-氢能转换效率.我们结合近年来国内外及本课题组的研究工作详细论述了TiO_2纳米阵列的改性策略,主要包括利用元素掺杂来拓展TiO_2的光吸收范围并提高导电性,构筑异质结促进光电极电荷的分离与转移,半导体敏化增加光电极的可见光吸收并促进电荷转移,表面处理用于增加表面水氧化反应速率.最后指出了该材料发展现状,并对其发展前景做出展望.我们为进一步提高TiO_2纳米阵列的光电催化水分解活性提供了理论指导和实践借鉴.     

BixTiOy-TiO2复合膜电极光电催化去除模拟压载水中细菌

溶剂热-聚乙烯醇粘附法制备了钛网负载BixTiOy-TiO2复合膜电极。利用X射线衍射、紫外-可见漫反射、光致发光(PL)、扫描电子显微镜和能谱(EDS)等测试技术对合成的纳米材料和膜电极进行了表征。利用三电极系统对模拟压载水的灭菌效果进行实验研究。考察了外加电压、光源和膜电极的使用次数对光电催化灭菌效果的影响。UV-Vis实验表明,BixTiOy-TiO2复合材料比纯TiO2有好的可见光吸收;PL实验证明,复合材料比纯TiO2有更高光量子效率。对细菌浓度为106CFU/mL的模拟压载水的光电催化灭菌实验结果表明,外加电压为9 V,电极与溶液接触面积为140 cm2时,20 W紫外杀菌灯照射下反应2 min即可完全去除压载水中的细菌;聚乙烯醇粘附法制备的电极重复使用20次,灭菌效果不变。     

TiO2膜电极光电催化降解苯甲酸的机理研究

利用自制纳米TiO2薄膜作电极,对苯甲酸光电催化降解过程进行了系统研究.同时利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射图谱(XRD)和光电流-电压响应谱分析光催化剂的微观性质和光电性能.选取较高的pH10.5,以利于苯甲酸降解中间产物的检测(GC/MS).通过对比光电催化与单一的TiO2光催化体系中苯甲酸的降解动力学、总有机碳(TOC)的去除率、降解产物的生成(GC/MS)及活性自由基物种的产生(ESR),提出光电催化降解苯甲酸的具体反应路径和氧化机理.羟基化的苯甲酸在羟基自由基与活性氧自由基的共同作用下,经由含六个碳原子的二酸(顺式己二烯二酸),被进一步氧化成小分子酸和CO2.     

纳米TiO_2薄膜电极光电催化降解染料RhB的研究

利用光电协同作用可增强TiO2光催化氧化的量子效率[1-3].外加偏压[4-6]是电助光催化过程的一个重要特性,通过对TiO2薄膜电极施加偏压可降低光生电子和空穴的复合速率,不仅可以加速有机污染物的降解,而且还能改变某些底物的降解途径[7].     

有机碳材料在光电催化系统中的作用

有机碳材料因电荷传导效率高、结构可调、无污染等特点被广泛应用于光电催化领域。将含有机碳材料的催化剂作为电极材料已成为光电催化领域的研究热点之一。本文介绍了几种常见的有机碳材料的结构、特点、制备方法及其研究方向,并将含有机碳材料的电极进行分类。主要总结并论述了有机碳材料在光电催化系统中的五种作用:(1)作为催化剂;(2)作为光敏剂(3)作为电子介质;(4)作为催化剂载体;(5)作为光电极的稳定剂,最后阐述了有机碳材料在光电催化系统中的研究现状及难点问题。